规模化养猪场粪污厌氧发酵及深度处理技术应用

徐庆贤 官雪芳 林斌 吴晓梅

摘 要：为了实现粪便污水处理达标排放的目的，提供了一种新型的污水处理工艺即固液分离-黑膜厌氧发酵塘-水解酸化塘-混凝沉淀池-A/O-深度处理工艺，通过福建省新星种猪育种有限公司建瓯市徐墩镇山边村规模化养猪场的实践应用，经深度处理后出水化学需氧量（CODcr）为147.2 mg·L-1，生物需氧量（BOD5）为28.6 mg·L-1，氨氮含量（NH3N）为7.6 mg·L-1，悬浮物浓度（SS）为9.8 mg·L-1。该工艺通过技术集成途径建立了新型的猪场粪污处理达标排放模式，为福建省猪场粪污治理及可持续发展提供了一种示范应用。

关键词：规模化养猪场;厌氧发酵;深度处理;达标排放

中图分类号：X 713   文献标志码：A   文章编号：0253-2301（2021）06-0064-05

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2021.06.011

Abstract： In order to achieve the purpose of up-to-standard discharge of fecal sewage treatment， a new sewage treatment process was provided， that was the solid-liquid separation-black membrane anaerobic fermentation pond-hydrolytic acidification pond-coagulative precipitation tank-A/O-advanced treatment process. Through the practice and application of large-scale pig farms in Shanbian Village of Xudun Town in Jian′ou City by Fujian Xinxing Boar Breeding Co.， Ltd.， after the advanced treatment， the effluent chemical oxygen demand （CODcr）， the biological oxygen demand （BOD5） and the ammonia nitrogen content （NH3-N） were respectively 147.2 mg·L-1， 28.6 mg·L-1， and 7.6 mg·L-1. The suspended matter concentration （SS） was 9.8 mg·L-1. This process established a new up-to-standard discharge mode of pig manure treatment by means of the technology integration， which provided a demonstration application for the pig manure treatment and the sustainable development of pig farms in Fujian Province.

Key words： Large-scale pig farm; Anaerobic fermentation; Advanced treatment; Up-to-standard discharge

在农业面源污染中，规模化猪场发展产生的粪污已成为突出的环境问题[1-7]，猪场粪污有机物、悬浮物、总氮、总磷浓度极高[8-10]，含有大量的病原菌，规模化养猪场污水排污量巨大，因此建设标准化的大型养殖污水综合处理设施可以有效解决粪污污染问题，并实现废弃物资源化利用。

福建省是全国首批生态文明试验区的3个省份之一[11]，于2016年第一个被批准了《国家生态文明试验区（福建）实施方案》，因此，对养殖业粪便污水治理与资源化利用提出了更高的要求，需要更加规范化发展。朱飞虹等[12]运用黑膜沼气池处理高浓度养猪场粪污，水力滞留时间（HRT）在60 d以上，污水处理率基本稳定在90%以上。何仁真[13]利用黑膜沼气池和一体化处理设备组合工艺处理养猪场粪污，出水化学需氧量（CODCr）≤50 mg·L-1，氨氮含量（NH3N）≤10 mg·L-1，远低于农业灌溉水化学需氧量（CODCr）≤200 mg·L-1的要求，可用于2 hm2土地的農业灌溉。管业坤等[14]利用“固液分离-气浮-厌氧ABR-双面导流好氧”工艺技术处理猪场粪污，出水化学需氧量（CODCr）为147.2 mg·L-1，生物需氧量（BOD5）为62 mg·L-1，氨氮含量（NH3N）为68 mg·L-1，均低于畜牧污水排放标准。目前，畜禽粪污处理一般采用“厌氧发酵+好氧处理”的工艺方式，但通常情况下存在建设费用高、操作难度大、污泥容易上浮以及自控复杂等问题。因此，针对这些问题，本研究在深度处理环节增加PLC自控系统、催化池和脱气池，以期达到更好地对规模猪场粪污进行治理的目的。本研究以福建省新星种猪育种有限公司为例，集成固液分离-黑膜厌氧发酵塘-水解酸化池（池内含表曝机、潜污泵、浮球液位控制装置及泵提升装置）-一级混凝沉淀池-A/O处理系统（含缺氧池-好氧池-二级沉淀池）-深度处理系统（包括中间池、高效混凝沉淀池、催化池、脱气池、混凝池、沉淀池）对粪便污水进行处理，并以此工程实例进行技术参数分析总结，拟为规模化猪场粪污治理提供一种模式参考。

1 示范养猪场现状

福建省新星种猪育种有限公司养猪场目前生猪存栏数15000头，猪粪污水及职工生活污水日排放量约120 m3·d-1，粪污进料化学需氧量（CODCr）为25250 mg·L-1，生物需氧量（BOD5）为12120 mg·L-1，氨氮含量（NH3N）为855 mg·L-1，悬浮物浓度（SS）为11200 mg·L-1。粪便污水经过固液分离后，污水进入黑膜厌氧发酵塘进行厌氧处理，出水经过水解酸化塘降解处理、混凝剂及絮凝剂投放及沉淀后将污泥排除，减低后续处理负荷，上清液经过缺氧与好氧池，进行硝化及脱硝处理，利用二类微生物在厌氧与好氧的组合程序，除可分解污水中有机物外，将氮化物进行生化代谢作用转为无害的氮气，最后氮气即可溢散于大气中，达到去除氨氮的目的。去除有机质及氨氮的废水，因含有大量难降解的污染物，最后通过高效混凝方法进行深度处理，脱色及消毒后达到达标排放的目的。

2 污水处理工艺流程及说明

2.1 工艺流程

猪场粪污处理具体工艺流程如图1所示。

2.2 关键工艺单元介绍

2.2.1 黑膜厌氧发酵塘 黑膜厌氧发酵塘是用聚乙烯（HDPE）在挖好的土方基础上整体密封形成的一种厌氧发酵装置。HDPE是一种优质的无毒环保的黑膜材质，该材料防渗好，具有较强的化学稳定性、耐高温低温、耐腐蚀能力，还具有优异的抗老化、抗紫外线、抗分解能力，抗植物根系穿刺能力，优异的抗拉强度与断裂伸长率（表1），非常适用于膨胀或收缩基面，可有效克服基面不均匀沉降等问题。

基于传统黑膜厌氧发酵塘存在接触焊接不均出现漏气等问题，加上利用沼气的不恒定性、黑膜厌氧发酵塘顶膜易出现塌陷，加上其体积大运行过程中沉淀的污泥不易排出，常常堆积板结于厌氧发酵塘底部，占用了部分的发酵空间，严重影响了厌氧发酵塘的运行效率及使用寿命，本处理工艺中黑膜厌氧发酵塘从进料口、出料口、排泥口、出气口及黑膜衔接工艺上，针对传统黑膜厌氧发酵塘进行技术改进，增设恒压系统和改进排泥系统，将传统的单点进、出料改为多点布料和出料工艺。

2.2.2 水解酸化塘 用于收集黑膜出水或者碳源补充水，调节水量，均匀水质。在无能耗的条件下将黑膜出水及超越过来补充碳源的水中有机物大分子分解为中间体小分子，提高粪污的可生化性。池内新增表曝机、潜污泵、浮球液位控制装置及泵提升装置。

2.2.3 一级混凝沉淀池 设计一级混凝沉淀池和一级沉淀池，在池内投加混凝剂及絮凝剂，混凝池均设机械搅拌装置进行混凝反应，使得厌氧出水悬浮物具有良好的沉降性能，经后续沉淀池处理后，有效去除了粪污中悬浮物（SS）、化学需氧量（CODCr）以及部分磷。处理后的污泥排至贮泥池、上清液进入后续处理系统，降低后续处理的有机负荷。

2.2.4 沼液A/O处理池 （1）缺氧池。建设缺氧池，用于接收二沉池回流污泥和好氧池末端回流的硝化混合液，与水解酸化池出水混合，池内安装潜水搅拌机进行泥水混合。在缺氧条件下，在反硝化菌作用下通过反硝化反应将粪污中硝态氮转化为氮气，从而实现脱氮。（2）好氧池。建立好氧池，池底安装有微孔曝气器，通过鼓风机将空气打入，使得污水和空气中的氧气搅拌混合，保证了好氧微生物有效降解有机物，并通过硝化细菌将污水中的氨氮转化为硝态氮，同时活性污泥中的聚磷菌在此过量吸收污水中的磷酸盐，以聚磷的形式积聚于体内并在二沉池以剩余污泥排出污水处理系统以达到除磷效果。氧化池末端安装硝化液回流泵，部分硝化混合液回流至缺氧池进水端（硝化液回流比≥400%）。

2.2.5 二沉池 建立二沉池，好氧池出水在二沉池中进行污泥和污水分离，部分活性污泥回流至缺氧池进水端（污泥回流比约100%），剩余污泥排到贮泥池中，分离后污水流入后续处理设施。

2.2.6 中间池 收集二沉池出水，调节水量，使深度处理系统水量均匀。池内安装潜污泵及泵提升装置。

2.2.7 高效混凝沉淀池 由于该养殖污水特性，好氧处理系统出水仍然含有大量难生化降解污染物，通过高效混凝方法能进一步有效去除此类污染物，同时可对污水进行脱色。项目设计高效混凝沉淀池包括催化池、脱气池、混凝池以及沉淀池等。

催化池：池内安装穿孔搅拌，用于降解难降解物质;脱气池：用于脱去催化反应在絮体内的气泡，有利于后续混凝处理;混凝池：池内通过机械搅拌，使得投加的PAM和污水完全混合及反应，提高了絮凝效果;沉淀池：沉淀池底部设置锥形污泥斗，现浇半地下式钢砼结构。池内设置斜管，以提高混凝沉淀效果，沉淀污泥抽至贮泥池，上清液出水进入后续处理。

2.2.8 接触消毒池 在接触消毒池中投放消毒剂次氯酸钠，防止水质病原微生物传染危害。

3 污水处理工程构筑物介绍

3.1 污水处理工程主要构筑物

污水处理系统主要构筑物组成见表2。

3.2 PLC粪污处理智能化自控系统

针对福建省新星种猪育种有限公司的多阶段污水深度处理系统，设计PLC软件控制系统，在该系统中PLC为核心控制器，可实现相关设备的运行、停止和調速的自动控制，同时还可以对整个系统的工作流程进行监控。污水处理PLC控制系统总体框图如图2。

PLC控制柜系统包括：（1）好氧处理系统内的水解酸化池潜污泵自控装置、一级沉淀池排泥自控装置、潜水搅拌机自控装置、曝气系统控制装置、混合液回流自控装置、混合液消泡自控装置、二沉池排泥自控装置、加药自控装置。（2）深度处理系统内的中间池潜污泵液位安全装置、催化氧化池潜加药自控装置、二级混凝池机械搅拌自控装置、加药自控装置、沉淀池排泥自控装置及消毒加药自控装置。（3）贮泥池排泥泵自控装置。（4）通过对终端出水的自动检测分析，调整水解酸化池碳源补充及各设备的运行时间，使污水最终达到排放标准。

4 运行效果分析

粪污处理工程于2017年下半年开始设计施工，2018年5月开始启动运行，并于2018年9月8日在福建省新星种猪育种有限公司养猪场采样分析，经过固液分离、厌氧发酵、A/O处理后及深度处理后，各指标如表3，粪污经深度处理后，各指标均低于GB 5084-2005《农田灌溉水质标准》旱作排放浓度。

5 讨论与结论

好的粪污处理工艺路线必须统筹考虑，针对氨氮、总磷和化学需氧量等去除效率增加设置针对性强的处理单元，保证每级功能单体的处理效率。厌氧发酵是沼气工程的核心单位，要保证厌氧发酵充分，主要有两个方面，一个是应用高效厌氧反应器，另一个是保证厌氧发酵足够长的水力滞留期。本工程工艺厌氧发酵采用24000 m3黑膜厌氧发酵塘，保证了厌氧发酵时间，一方面有效地应对进料污水的冲击负荷，另一方面使得厌氧出水保持稳定。针对A/O系统容易污泥膨胀，影响生化处理和后续出水，本工艺设计增加了催化池和脱气池。由于生化和深度处理系统运行较为复杂，本研究工艺增加了PLC自控系统，根据测试结果来看，工艺运行效果较稳定，出水水质良好。

本研究设计的规模化养猪场粪污处理系统工程工艺，改进传统黑膜厌氧发酵塘，通过集成水解酸化池（池内含表曝机、潜污泵、浮球液位控制装置及泵提升装置）-一级混凝沉淀池-A/O处理系统（含缺氧池好氧池二级沉淀池深度处理系统（包括中间池、高效混凝沉淀池、催化池、脱气池、混凝池、沉淀池）对沼液污水进行多阶段深度处理，并采用PLC系统对好氧深度阶段处理进行自动控制，经处理后，猪场污水出水水质CODcr、BOD5、NH3N和SS分别低于150、30、8和10 mg·L-1，均低于畜禽养殖业污染物排放标准，实现了猪场粪污的有效治理。

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（责任编辑：柯文辉）